Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассматривал RC генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний на ОУ. В данной статье я рассмотрю стабилизаторы напряжения, в основе которых лежат операционные усилители. Основное преимущество ОУ при использовании их в стабилизаторах напряжения является то, что ОУ обладает большим коэффициентом усиления (несколько десятков тысяч). Поэтому они позволяют получить нестабильность выходного напряжения порядка 0,001 %.
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
Основная схема компенсационного стабилизатора напряжения
Большинство современной силовой электроники представлено импульсными источниками питания, которые обладают высоким КПД и небольшими габаритными размерами. Однако линейные стабилизаторы напряжения также находят своё применение, прежде всего в устройствах небольшой мощности, а также в схемах, где не желательны импульсные помехи.
Как известно линейные источники питания разделяются на последовательные и параллельные в зависимости от схемы подсоединения регулирующего элемента относительно выхода. Наибольшее распространение получили последовательные стабилизаторы, так как могут обеспечить КПД и стабилизацию больше чем параллельные, из основных достоинств которых является возможность перегрузки по току и способность выдерживать короткое замыкание.
Кроме схемы подключения регулирующего элемента, стабилизаторы напряжения классифицируются по способу регулирования выходного напряжения: параметрические и компенсационные. Работа параметрических стабилизаторов основана на нелинейных свойствах регулирующих элементах, то есть при значительном изменении тока протекающего через него падение напряжения на регулирующем элементе мало изменяется. Такие стабилизаторы применяются в схемах небольшой мощности до нескольких ватт. Наибольшее распространение получили схемы последовательных стабилизаторов компенсационного типа, структурная схема, которого представлена ниже
Структурная схема компенсационного стабилизатора последовательного типа.
В одной из статей я рассказывал о компенсационных стабилизаторах напряжения, выполненных на транзисторах, поэтому напомню принцип его работы. Схема состоит из чётырёх основных частей: источник образцового напряжения И, элемента сравнения ЭС, усилительного элемента У и регулирующего элемента Р. Элемент сравнения сравнивает выходное напряжение U1 с напряжение вырабатываемым источником образцового напряжения и выдаёт ошибку сравнения на усилительный элемент, где происходит усиление ошибки сравнения и вырабатывается управляющий сигнал для регулирующего элемента.
Довольно часто в простых схемах происходит объединение элемента сравнения и усилителя (а иногда и регулирующего элемента в слаботочных схемах) в одно устройство. В современных схемах функции элемента сравнения и усилителя выполняют на ОУ.
Схемы стабилизаторов напряжения и тока
Стабилизированные источники питания необходимы для обеспечения независимости параметров электронного устройства от изменений питающего напряжения. Практически в любой современной аппаратуре имеется стабилизатор напряжения, а то и несколько. В таких устройствах часто применяются операционные усилители ( ОУ ), с помощью которых решить эту задачу просто и эффективно с точностью регулировки и стабильности в диапазоне 0,01…0,5 %, причём ОУ легко встраивать в традиционные стабилизаторы напряжения и тока. Простейший стабилизатор напряжения представляет собой усилитель постоянного тока, на вход которого подано постоянное напряжение стабилитрона или часть его. Нагрузочная способность такого стабилизатора определяется силой максимального выходного тока ОУ. Следящие стабилизаторы, как правило, работают на принципе сравнения опорного и выходного напряжений, усиления их разности и управления электропроводностью регулирующего транзистора.
Стабилизатор по схеме Рис.1 выдаёт напряжение Uвых большее, чем опорное напряжение стабилитрона VD1, а стабилизатор Рис.2 – меньшее. Стабилизаторы питаются от одного источника. С помощью эмиттерного повторителя VT2 увеличивают ток нагрузки, в нашем примере – до 100 мА, но можно и более с составным повторителем на мощном транзисторе.
Транзистор VT1 защищает выходной транзистор VT2 от перегрузок по току, причём датчиком тока служит резистор R8 небольшого сопротивления, включённый в цепь эмиттера транзистора VT2. Когда падение напряжения на нём превысит Uб-э=0,6 В, откроется транзистор VT1 и зашунтирует эмиттерный переход транзистора VT2. При токах нагрузки до 10…15 мА резисторы R7, R8 и транзисторы VT1, VT2 можно не ставить. Отметим, что в стабилитронах по схемам на Рис.1, 2 входное напряжение не должно превышать максимально допустимой суммы напряжений питания.
На Рис.3а приведена схема подобного стабилизатора в котором ОУ включён таким образом, что он сам питается стабилизированным напряжением. Здесь дополнительно включены несколько элементов, улучшающих работу стабилизатора напряжения. Потенциал выхода ОУ DA1 смещён в сторону положительного напряжения с помощью стабилитрона VD3 и транзистора VT1. Выходной эмиттерный повторитель – составной ( VT2, VT3 ), а к базе защитного транзистора VT4 подключён делитель R4R5, что позволяет создать “падающую” характеристику ограничения тока перегрузки. Ток короткого замыкания не превышает 0,3 А.
Термокомпенсированный источник опорного напряжения выполнен на микросхеме К101КТ1А (DA2). Выходное напряжение стабилизатора, равное +15В, изменяется всего на 0,0002 % при изменении входного напряжения в пределах 19…30 В; при изменении тока нагрузки от нуля до номинального выходное напряжение падает лишь на 0,001%. В этом стабилизаторе подавление пульсаций входного напряжения частотой 100 Гц составляет 120 дБ. К достоинствам стабилизатора следует отнести также и то, что в отсутствии нагрузки потребляемый ток составляет около 10 мА. При скачкообразном изменении тока нагрузки выходное напряжение устанавливается с погрешностью 0,1% за время не более 5 мкс.
Практически нулевые пульсации напряжения на выходе может обеспечить стабилизатор по схеме Рис.4. Если движок переменного резистора R1 находится в верхнем (по схеме) положении, амплитуда пульсаций максимальна. По мере перемещения движка вниз амплитуда будет уменьшаться, так как напряжение пульсаций, поданное на инвертирующий вход ОУ через конденсатор С2, в противофазе складывается с выходным напряжением пульсаций. Примерно в среднем положении движка резистора R1 пульсации будут компенсированы. В случае необходимости получения отрицательного выходного напряжения необходимо в качестве повторителя применить p-n-p транзистор, а также заземлить положительную шину питания ОУ. Но можно поступить по-другому, если в аппаратуре требуются стабилизированные напряжения разной полярности.
На Рис.5 приведены две упрощённые схемы соединения стабилизаторов для получения выходных напряжения разного знака. В первом случае входная и выходная цепи имеют общую шину. Пусть, например, имеются только положительные стабилизаторы. Тогда в стабилизаторе по второй схеме можно применить, если оба канала по входным цепям гальванически развязаны, чтобы можно было заземлять положительный полюс нижнего (по схеме) стабилизатора. Источником опорного напряжения для одного из каналов служит стабилитрон, а для второго – выходное напряжение первого стабилизатора. Для этого необходимо включить делитель из двух резисторов между выводами +Uст и -Uст стабилизаторов и подвести напряжение средней точки делителя к неинвертирующему входу ОУ второго стабилизатора, заземлив инвертирующий вход ОУ. Тогда выходные напряжения двух стабилизаторов ( несимметричные в общем случае ) связаны и регулирование напряжений осуществляется одним переменным резистором.
В случае если необходимо иметь два питающих напряжения с заземлённой средней точкой, то можно применить активный делитель на ОУ с повторителями для увеличения нагрузочной способности (Рис. 6). Если R1=R2, то равны и выходные напряжения относительно заземлённой средней точки. Через выходные транзисторы VT1 и VT2 протекают полные токи нагрузки, а падение напряжения на участках коллектор – эмиттер равны половине входного напряжения. Это надо иметь в виду при выборе радиаторов охлаждения.
Ключевые стабилизаторы напряжения зарекомендовали себя наилучшим образом с точки зрения экономичности, так как КПД таких устройств всегда высокий. Несмотря на их сложность по сравнению с линейными стабилизаторами, только за счёт уменьшения размеров теплоотводящего радиатора проходного транзистора ключевой стабилизатор позволяет уменьшить габариты регулируемого мощного источника питания в два – три раза. Недостаток ключевых стабилизаторов заключается в повышении уровня помех. Однако рациональное конструирование, и когда весь блок выполнен в виде экранированного модуля с расположенной непосредственно на теплоотводе мощного транзистора платой управления, позволяет свести помехи к минимуму. Устранить “пролезание” высокочастотных помех в нестабилизированный источник первичного питания и нагрузку можно путём включения последовательно радиочастотных дросселей, рассчитанный на постоянный ток 1…3 А. В ключевых стабилизаторах напряжения с успехом применяются интегральные компараторы.
На Рис. 7 приведена схема релейного стабилизатора на базе микросхемы К554СА2. Здесь компаратор DA1 работает от источников напряжения +12 и -6 В. Эта комбинация образована подключением вывода 11 положительного питания DA1 к эмиттеру транзистора VT1 (+18 В), вывода 2 – к стабилитрону VD6 (примерно +6 В), вывода 6 отрицательного питания – к нулевому потенциалу общей шины. Опорное напряжение стабилизатора формируется диодами VD3 – VD5, оно равно +4,5 В. Это напряжение подаётся на инвертирующий вход компаратора DA1, включённого по схеме детектора уровня с гистерезисной характеристикой из-за положительной обратной связи по цепи R5, R3. Цепь отрицательной обратной связи замыкается через усилительный транзистор VT2, ключевой элемент на транзисторах VT3, VT4 и фильтр L1C7. Глубину отрицательной обратной связи по выходному напряжению регулируют переменным резистором R4, в результате оно изменяется в пределах 4…20 В при минимальном входном нестабилизированном напряжении +23 В и максимальном – до +60 В с применением элементов, рассчитанных на такое напряжение. В то же время переменная составляющая выходного напряжения ( пульсации ) проходят без ослабления через конденсатор С4, поэтому регулирование выходного напряжения не приводит к пропорциональному изменению пульсаций. Данный стабилизатор напряжения относится к числу автогенерирующих, когда в зависимости от входного напряжения и тока нагрузки, разряжающего накопительный конденсатор C7, автоматически меняется как период автоколебаний, так и время включённого состояния транзисторов VT3, VT4. Усилитель управления на компараторе DA1 и транзисторе VT2 открывает ключевой элемент в тот момент, когда потенциал инвертирующего входа станет меньше, чем потенциал неинвертирующего (опорного) входа. В этот момент напряжение на нагрузке падает несколько ниже заданного уровня стабилизации, т.е пульсирует. После включения транзисторов VT3, VT4 ток через дроссель L1 нарастает, его индуктивность и конденсатор С7 запасает энергию, так что потенциал инвертирующего входа повышается. Благодаря действию усилителя управления ключевой элемент закрывается. Затем фильтр L1C7 отдаёт некоторую часть запасённой энергии в нагрузку, причём полярность напряжения на дросселе L1 меняется и цепь питания замыкается через диод VD7. Как только напряжение на конденсаторе С7 станет ниже опорного на величину гистерезиса, вновь включаются транзисторы VT3, VT4. Далее циклы повторяются.
В качестве дросселя L1 можно применить дроссели фильтров промышленного изготовления, например из серий Д8, Д5 – плоские и др., среди которых выбирают типономинал с требуемой индуктивностью, рассчитанный на ток подмагничивания не менее ожидаемого тока нагрузки и пригодный к использованию на частотах до 50 кГц. Диод VD7 должен быть обязательно быстродействующим с большим допустимым импульсным током, не менее удвоенного значения тока нагрузки. В стабилизаторе по схеме на Рис. 7, где ток нагрузки 2 А, возможна замена его на диоды КД212Б, КД217А и некоторые другие. Конденсатор С7 из ряда К53 или танталовый типов К52-7А, К52-9, К52-10, С9 – ёмкостью не менее 15,…2,2 мкФ. Большая потребность в стабилизаторах для питания аппаратуры привела к необходимости разработки и производства специальных линейных микросхем – стабилизаторах напряжения. В интегральном исполнении преобладают последовательные регуляторы с непрерывным или импульсным режимом управления. Стабилизаторы строятся как для положительных так и для отрицательных напряжений питания. Выходное напряжение может быть регулируемым или фиксированным, например +5 В для питания блоков с цифровыми микросхемами или ±15 В для питания аналоговых микросхем. К данной группе из выпускаемых стабилизаторов относятся категория регулируемых стабилизаторов КР142ЕН1 и К142ЕН2.
На базе микросхем КР142ЕН1,2 можно создавать стабилизаторы отрицательных напряжений Рис. 8. При этом стабилитрон VD1 смещает уровень напряжения на выводе 8 относительно входного напряжения. Базовый ток транзистора VT1 не должен превышать максимально допустимого тока стабилизатора, иначе следует применить составной транзистор.
Широкие возможности микросхем КР142ЕН1,2 позволяют создавать на их основе релейные стабилизаторы напряжения (Рис. 9). В таком стабилизаторе опорное напряжение установлено делителем R4R5, а амплитуда пульсаций выходного напряжения на нагрузке задаётся делителем R2R3. Следует также иметь в виду, что ток нагрузки не может изменяться в широких пределах, обычно не более чем в два раза от номинального значения. Преимуществом релейных стабилизаторов является высокий КПД.
Также следует рассмотреть ещё один класс стабилизаторов – стабилизаторов тока, преобразующих напряжение в ток независимо от изменения напряжения нагрузки. Мощные источники тока предусматривают подключение к ОУ усилительных транзисторов.
На Рис.10 дана схема источника тока, а на Рис. 11 – схема приёмника тока. В обоих устройствах сила тока зависит от напряжения Uвх и номинала резистора R1, чем меньше входной ток ОУ и тем меньше ток управления первого (после ОУ) транзистора, который выбран поэтому полевым. Ток нагрузки может достигать 100 мА.
Схема простого мощного источника тока для зарядки устройства показана на Рис. 12. Здесь R4 – токоизмерительный проволочный резистор. Номинальное значение тока нагрузки Iн =ΔU/R4=5 A устанавливается примерно при среднем положении движка резистора R1. При зарядке автомобильной аккумуляторной батареи напряжение Uвх ≥ 18 В без учёта пульсаций выпрямленного переменного напряжения. В таком устройстве следует применять ОУ с диапазоном входного напряжения вплоть до напряжения положительного питания. Такими возможностями обладают ОУ К553УД2, К153УД2, К153УД6, а также КР140УД18. Более подробно по данной тематике можно найти в источнике:
“В ПОМОЩЬ РАДИОЛЮБИТЕЛЮ” выпуск 91, МОСКВА издательство ДОСААФ СССР, 1985 стр. 39-53
Схема стабилизатора напряжения на ОУ
Для построения стабилизатора напряжения используется масштабирующий усилитель на ОУ в неивертирующем включении. Схема такого стабилизатора напряжения показана ниже
Схема стабилизатора напряжения на ОУ.
Схема состоит из ОУ DA1, резисторов обратной связи R1 и R2 и источника опорного напряжения UОП. Выходное напряжение будет определяться известной формулой для неинвертирующего усилителя
Таким образом, качество стабилизатора напряжения будет определяться качеством источника опорного напряжения, так как ОУ даже с очень хорошими параметрами и высоким коэффициентом усиления не может обеспечить стабильность выходного напряжения.
Существует несколько видов источников опорного напряжения: стабилитрон, источник опорного напряжения со стабилизатором тока и интегральные стабилизаторы напряжения. Рассмотрим их по отдельности.
Использование стабилитрона в качестве источника опорного напряжения
Стабилитрон широко используется практически во всех стабилизаторах напряжения, так как имеет нелинейную вольт-амперную характеристику, что позволяет при широком изменении тока нагрузки практически оставаться стабильным выходному напряжению. Схема стабилизатора напряжения с использованием стабилитрона в качестве источника опорного напряжения показана ниже
Схема, иллюстрирующая использование стабилитрона в качестве источника опорного напряжения.
На данной схеме опорное напряжение задаётся параметрическим стабилизатором напряжения R1VD1, что даёт удовлетворительные результаты в большинстве практических случаях. При этом величина опорного напряжения соответствует величине напряжения стабилизации стабилитрона VD1, а разность между входным напряжением стабилизатора и опорным рассеивается на резисторе R1. Номиналы элементов параметрического стабилизатора выбираются из следующих соотношений
где UCT – напряжение стабилизации стабилитрона,
IСТ – номинальный ток стабилизации стабилитрона.
Схема с использование стабилитрона в качестве источника опорного напряжения обеспечивает умеренный уровень стабилизации, составляющий доли процента (обычно 0,1…0,05%), значительно лучшие показатели обеспечиваются, если вместо гасящего резистора R1 применить стабилизатор тока.
Использование стабилизатора тока в источнике опорного напряжения
Достаточно часто стабилизаторы напряжения используются в схемах, где входящие нестабилизированное напряжение может изменяться в пределах нескольких вольт, а иногда и выше. Данное условие приводит к тому, что в схеме параметрического стабилизатора R1VD1, показанного на рисунке выше, приводит к изменению тока проходящего через стабилитрон, тем самым изменяя его напряжение стабилизации в пределах долей вольта. Для недопущения таких изменений в схему источника опорного напряжения вводят стабилизатор тока. Схема стабилизатора напряжения на ОУ со стабилизатором тока в цепи опорного напряжения приведена ниже
Стабилизатор напряжения на ОУ со стабилизатором тока в цепи опорного напряжения.
В данной схеме вместо гасящего резистора параметрического стабилизатора введён стабилизатор тока R1VD1VT1R2, что позволяет свести колебания тока стабилизации стабилитрона VD2 к нескольким процентам, при колебании входящего нестабилизированного напряжения в пределах десятков процентов. В итоге коэффициент стабилизации источника опорного напряжения достигнет нескольких сотен, в то время как стабилизации обычного параметрического стабилизатора напряжения едва достигает нескольких десятков.
Ещё одним применение данной схемы является регулируемый источник опорного напряжения. Для этого достаточно заменить стабилитрон VD2 переменным резистором, что позволяет при постоянном токе, задаваемым стабилизатором тока, изменяя сопротивление переменного резистора в широких пределах регулировать опорное напряжение, тем самым регулирую выходное напряжение стабилизатора тока.
Регулируемый стабилизатор напряжения на ОУ.
Однако данная схема не может обеспечить такой же стабильности, как схемы на стабилитронах описанные выше, поэтому она применяется крайне редко.
Наибольшую стабильность позволяют получить схемы, где в качестве источников опорного напряжения применяются интегральные стабилизаторы напряжения.
Стабилизаторы тока
Бывают случаи, когда необходимо пропускать стабильный ток через светодиоды, ограничить ток зарядки аккумуляторов или испытать источник питания, а реостата под рукой нет. В этом, и не только, случае помогут специальные схемотехнические решения ограничивающие, регулирующие и стабилизирующие ток. Далее подробно рассмотрены схемы стабилизаторов и регуляторов тока
Источники тока, в отличие от источников напряжения, стабилизируют выходной ток, изменяя выходное напряжение так, чтобы ток через нагрузку всегда оставался одинаковым. Таким образом, источник тока отличается от источника напряжения, как вода отличается от суши. Типичное применение источников тока – питание светодиодов, зарядка аккумуляторов и т.п. Внимание! Не путайте стабилизатор тока со стабилизатором напряжения! Это может плохо кончиться =)
Простой стабилизатор тока на КРЕНке
Для этого стабилизатора тока достаточно применить КР142ЕН12 или LM317. Это регулируемые стабилизаторы напряжения способные работать с токами до 1,5А, входными напряжениями до 40В и рассеивают мощность до 10Вт (при соблюдении теплового режима). Схема и применение показаны на рисунках ниже
Стабилизатор тока на КР142ЕН12 (LM317)
Стабилизатор тока на КРЕН в качестве зярядного устройства
Собственное потребление данных микросхем относительно невелико – около 8мА и это потребление практически не меняется при изменении тока протекающего через крен или изменения входного напряжения. Как видим, в вышеприведенных схемах, стабилизатор LM317 работает как стабилизатор напряжения, удерживая на резисторе R3 постоянное напряжение, которое можно регулировать в некоторых пределах построечным резистором R2. В данном случае R3 называется токозадающим резистором. Поскольку сопротивление R3 неизменно, то ток через него будет стабильным. Ток на входе крен будет примерно на 8мА больше.
Использование интегральных стабилизаторов напряжения в качестве источников опорного напряжения
Интегральные стабилизаторы напряжения, выпускаемые промышленностью в настоящее время, имеет широкую номенклатуру изделий, и характеризуются высокими техническими параметрами. Так, например, широко применяемая микросхема стабилизатора напряжений серии КР142ЕН выпускаются на различные стабилизируемые напряжения от 5 до 30 В, имеют коэффициент нестабильности по напряжения не менее 0,1 %/В, а коэффициент сглаживания пульсаций не менее 30 дБ. Поэтому они наилучшим образом подходят в качестве источников опорного напряжения в мощных линейных стабилизаторах напряжения. Схема использования их в качестве опорных источников напряжения показана ниже
Использование интегральных стабилизаторов напряжения в качестве источника опорного напряжения.
Согласно технической документации микросхемы типа КР142ЕНхх на вход и выход необходимо включить конденсаторы: С1 ≥ 2,2 мкФ, С2 ≥ 1 мкФ.
При использовании интегральных стабилизаторов достаточно просто реализовать регулируемый стабилизатор напряжения, для этого достаточно поставить на выходе источника опорного напряжения переменный резистор, со среднего отвода которого снимать напряжение на операционный усилитель
Регулируемый стабилизатор напряжения с интегральным стабилизатором в качестве опорного напряжения.
Вышеописанные схемы стабилизаторов напряжения на ОУ позволяют получить очень хорошие показатели стабильности выходного напряжения. Однако ОУ не могут обеспечить достаточно большой выходной ток (обычно несколько десятков мА), поэтому выходная мощность ограничена долями ваттами, в зависимости от выходного напряжения.
Для того чтобы такие стабилизаторы отдавали больше мощности необходимо на его выходе включить каскад усилителя мощности в виде транзистора.
Стабилизатор напряжения на оу и полевом транзисторе. Стабилизаторы с оу
Рис. 8.
Основная схема включения регулятора КР142ЕН1
Опорное напряжение на выводе 5 микросхемы составляет около 2 В, причем делитель напряжения, снимаемого с опорного стабилитрона, введен в состав микросхемы. Благодаря этому при построении стабилизаторов с выходными напряжениями от 3 до 30 В применяют одну и ту же схему включения с внешним делителем выходного напряжения. Дополнительно отметим, что у микросхемы КР142ЕН1.2 имеются свободные выводы не только инвертирующего (вывод 3),
но и неинвертирующего (вывод
4)
входов усилителя, что упрощает стабилизатор отрица тельного напряжения с этой ИМС. В этом заключается основное отличие микросхемы КРН2ЕШ,2 от микросхемы 142ЕН1.2 более раннего выпуска.
Внешний транзистор VT1
— это эмиттерный повторитель для увеличения тока нагрузки до 1…2 А. Если требуется ток не более 50 мА, то транзистор следует исключить, используя вывод
8
микросхемы вместо эмиттерного вывода транзистора V
T1.
В составе микросхемы имеется транзистор, защищающий выходной каскад от перегрузки по току. Токо–ограничительное сопротивление резистора R4
выбирают из расчета падения напряжения на нем 0,66 В при протекании аварийного тока. Без змиттерного повторителя V
T1
следует установить резистор
R4
сопротивлением 10 Ом.
Чтобы создать «падающую» характеристику ограничения тока перегрузки, подключают делитель R2R3
и производят расчет по следующим зависимостям:
Пример, I макс = 0,6 А (задано); I К3 — 0,2 А (выбираем не менее 1 /з I макс); U бЭ =0,66 В; U вых =12 В (задано); а = 0,11 (по расчету); R3
= 10 кОм (типичное значение);
R2
= 1,24 кОи;
R4
= 3,7 Ом.
В микросхеме дополнительно имеется вывод 14
для Управления стабилизатором. Если подать на этот вход единичный ТТЛ–уровень + (2,5…5) В, то выходное напряжение стабилизатора упадет до нуля. Чтобы обратный ток при наличии емкостной нагрузки не разрушил выходной транзистор, установлен диод V
D1.
Конденсатор С1
емкостью 3,3…10 мк подавляет шум стабилитрона, однако установка его не является необходимой. Конденсатор
С2
(емкостью до 0,1 мк) — элемент частотной коррекции; допустимо вместо него соединить вывод
13
с «земляным» проводом через последовательную RС–цепь 360 Ом (максимум) и 560 пФ (минимум).
На базе микросхем КР142ЕШ.2 (рис. 
можно создавать стабилизаторы отрицательных напряжений (рис. 9).
Рис 9.
Стабилизация отрицательного напряжения
При этом стабилитрон VD1
смещает уровень напряжения на выводе
8
относительно входного напряжения. Базовый ток транзистора V
T1
не должен превышать максимально допустимого тока стабилитрона, иначе следует применить составной транзистор.
Широкие возможности микросхем КР142ЕН1,2 позволяют создавать на их основе релейные стабилизаторы напряжения, пример которых дан на рис. 10.
Рис. 10.
Релейный стабилизатор напряжения
В таком стабилизаторе опорное напряжение, как и в стабилизаторе по схеме рис. 8, установлено делителем R4R5,
а амплитуда пульсаций выходного напряжения на нагрузке задается вспомогательным делителем
R2R3
и равна
&U=UBx-R4IR3.
Частота автоколебаний определяется из тех же соображений, что и для стабилизатора по схеме на рис. 7. Следует лишь иметь в виду, что ток нагрузки не может изменяться в широких пределах, обычно не более чем в два раза от номинального значения. Преимуществом релейных стабилизаторов является высокий КПД.
Необходимо рассмотреть еще один класс стабилизаторов — стабилизаторов тока, преобразующих напряжение в ток независимо от изменения сопротивления нагрузки. Из таких стабилизаторов, позволяющих заземлять нагрузку, отметим стабилизатор по схеме на рис. 11.
Рис. 11.
Стабилизатор тока на ОУ
Ток нагрузки стабилизатора I u
=UB-x.lRl.
Интересно, что если напряжение
UBX подавать
на инвертирующий вход, то изменится только направление тока без изменения его значения.
Более мощные источники тока предусматривают подключение к ОУ усилительных транзисторов. На рис. 12 дана схема источника тока, а на рис. 13 — схема приемника тока.
Рис. 12.
Прецизионная схема источника тока; входное напряжение — отрицательное
Рис 13.
Схема прецизионного отвода тока; входное напряжение — положительное
В обоих устройствах сила тока определяется расчетом так же, как и в предыдущем варианте стабилизатора. Этот ток тем точнее зависит лишь от напряжения U вх и номинала резистора R1,
чем меньше входной ток ОУ и чем меньше ток управления первого (после ОУ) транзистора, который выбран поэтому полевым. Ток нагрузки может достигать 100 мА.
Схема простого мощного источника тока для зарядного устройства показана на рис. 14.
Рис. 14.
Источник тока высокой мощности
Здесь R4
— токоизмерительный проволочный резистор. Номинальное значение тока нагрузки I
н=ДU/R4 = 5
А устанавливается. примерно при среднем положении движка резистора
R1.
При зарядке автомобильной аккумуляторной батареи напряжение U вх >18 В без учета пульсаций выпрямленного переменного напряжения. В таком устройстве следует применять ОУ с диапазоном входного напряжения вплоть до напряжения положительного питания. Такими возможностями обладают ОУ К553УД2, К153УД2, К153УД6, а также КР140УД18.
Литература
Бокуняев А. А. Релейные стабилизаторы постоянного напряжения — М: Энергия, 1978, 88 с.
Рутксвски Дж. Интегральные операционные усилители. — М.: Мир, 1978, 323 с.
Xоролац П, Хилл У. Искусство схемотехники, т. 1. — М.; Мир, — 1986, 598 с.
Спенсер Р Недорогой источник питания с нулевыми пульсациями. — Электроника, 1973, № 23, с 62.
Шило В. Л Линейные интегральные схемы. — М. Cов. Радио, 1979, 368 с.
Стабилизатор с ОУ и защитой от короткого замыкания.
В стабилизаторе (рис. 16.41,
а) в
качестве сравнивающего устройства используется ОУ. Опорное напряжение с диода
VD2
подается на неинвертирующий вход, а пульсирующее выходное напряжение — на инвертирующий вход. Отрицательная обратная связь через диод
VD1
и два транзистора выполняет демпфирующие функции. Для защиты стабилизатора от короткого замыкания включен резистор
R5.
Нагрузочные характеристики приведены на рис. 16.41, в (кривая 1) и рис. 16.41,
г.
Если поменять местами подключение цепочек
R4, VD2
и
R6
—
R8,
нагрузочная характеристика имеет вид кривой
2
на-рис. 16.41, в. На рис. 16.41,
б
приведена зависимость отклонения выходного напряжения от входного напряжения стабилизатора.
Рис. 16.41
Стабилизаторы напряжения на ОУ.
Стабилизатор (рис. 16.42, а) обеспечивает на выходе напряжение 15 В при токе нагрузки 0,5 А. Стабилизирующим элементом в этой схеме является ОУ, с помощью которого можно получить коэффициент стабилизации более 4-10 4 . Опорное напряжение, образованное диодом
VD1
и транзистором
VT3,
подается на один вход ОУ, а второй вход подключается к делителю, обеспечивающему запуск стабилизатора при его включении. Высокая стабильность опорного напряжения обеспечивается цепочкой
VD1, VT3,
в которой транзистор выполняет роль генератора тока.
Для уменьшения влияния обратного тока транзистора VT1
применяется резистор
R1.
Резистор
R2
ограничивает базовый ток транзистора
VT2.
Параметры корректирующей цепочки
R3 С1
выбраны с учетом работы ОУ при глубокой ОС.
Для получения напряжения на выходе стабилизатора, превышающего питающего напряжение ОУ, следует применить схему рис. 16.42, б. В этой схеме питание усилителя осуществляется от дополнительного стабилизирующего каскада Rl, VD1, VD2
который обеспечивает напряжение 24 В. С помощью этой схемы можно получить коэффициент стабилизации более 2-10 4 при токе нагрузки 1 А.
Рис. 16.42
Рис. 16.43 Рис. 16.44
Стабилизатор с регулируемым коэффициентом стабилизации.
Стабилизатор (рис. 16.43) имеет коэффициент стабилизации более 10 5 . В зависимости от сопротивления резистора
R4
коэффициент стабилизации может быть положительным иди отрицательным. Для уменьшения мощности, рассеиваемой транзистором
VT3,
включается резистор
R7.
Сопротивление этого резистора определяется постоянным током нагрузки. Ток же, связанный с изменением сопротивления нагрузки, протекает через транзистор
VT3.
Высоковольтный стабилизатор на ОУ.
Высоковольтный стабилизатор напряжения (рис. 16.44) имеет коэффициент стабилизации более 10 3 . Он рассчитан на токи до 0,1 А. В качестве усилительного элемента применен ОУ, питающее напряжение которого поднято на уровень 100 В. Для предотвращения неисправности стабилизатора желательно входное напряжение повышать плавно до нужного значения.
Рис. 16.45
Высоковольтный стабилизатор.
Высоковольтный стабилизатор (рис. 16.45) имеет на выходе £00 В. При токе нагрузки 0,1 А входное напряжение должно равняться 300 В. Схема обладает коэффициентом стабилизации более 10 4 . Это достигается тремя видами ослабления пульсаций. С помощью стабилитронов
VD1
—
VD3
устанавливается опорное напряжение 250 В. Для уменьшения внутреннего сопротивления стабилитронов включен конденсатор
С1,
который совместно с резистором
R1
образует фильтрующую цепь. Основной стабилизирующей схемой являются ОУ и регулирующие транзисторы
VT1
и
VT2.
С помощью стабилитронов
VD5
и
VD6
напряжение на входе ОУ уменьшается до единиц вольт. На этом уровне происходят изменения выходного напряжения. Опорное на пряжение также лежит в этом диапазоне. Все изменения выходного напряжения умножаются на коэффициент усиления ОУ и поступают на вход регулирующих транзисторов, которые сглаживают эти изменения.
В. Крылов
ПОСТРОЕНИЕ ДВУПОЛЯРНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ НА ОУ
Операционные усилители (ОУ) находят все более применение в самых различных узлах радио-любительской аппаратуры, в том числе и в стабилизи-рованных блоках питания. ОУ позволяют резко повы-сить качественные показатели стабилизаторов и их эк-сплуатационную надежность. использовании ОУ в стабилизаторах можно прочитать в журнале «Радио» (1975, № 12, с. 51, 52 и 1980, № 3, с. 33 — 35), В поме-щенной ниже статье описано построение двуполярных стабилизаторов на ОУ.
Проще всего двуполярный, стабилизатор напряжения может быть получен из двух одинаковых однополярных, как показано на рис. 1.
Рис. 1. Схема стабилизатора, построенного из двух одинаковых однополярных
Этот двуполярный стабилизатор может обеспечить по каждому из плеч током до 0,5 А. Коэффициент стабилиза-ции при изменении входного напряжения на ±10% равен 4000. При изменении сопротивления нагрузки от нуля максимума выходное напряжение стабилизатора изменяется не более чем на 0,001%, т. е. его выходное сопротивление не превышает 0,3 МОм. Пульсации вы-ходного напряжения частотой 100 Гц при максимальном токе на-грузки — не более 1 мВ (двойное амплитудное ).
Достоинство такого способа построения двуполярно-го стабилизатора очевидно — возможность применения однотипных элементов для обоих плеч. Недостаток заключается в том, что источники входного переменного напряжения в этом случае не должны иметь общей точ-ки, иными словами необходимы две изолированные одна от другой вторичные обмотки на сетевом трансформа-торе, два отдельных выпрямителя и четырехпроводное стабилизатора с выпрямителями.
Для того чтобы сократить соединительных про-водов до трех, необходимо регулирующий элемент (тран-зисторы V
4,V5)
нижнего по Схеме плеча стабилизатора перенести из его плюсового в минусовой провод (верх-ний остается без изменения). Сделать это можно, применив транзисторы другой структуры: n —
р —n
для транзистора
V4
и
р
— n
— р
для
V5
(рис. 2, а). Выходное напряжение операционного усилителя
А2
при этом будет иметь отрицательную относительно общего провода. По параметрам этот . практически не отличается от описанного выше.
Заметим, что при указанном перенесении регулирую-щего элемента можно ограничиться заменой только -ного из транзисторов, а именно V
5,
если включить ре-гулирующий по схеме составного транзистора (рис. 2,
б)
— при этом мощные регулирующие транзи-сторы в обоих плечах стабилизатора
(VI
и
V4
по рис. 2, а) остаются одинаковыми. Коэффициент стабилизации при таком видоизменении регулирующего элемента практически остается прежним (около 4000), но выход-ное сопротивление нижнего плеча может увеличиться, так как при переходе к составному регулирующему транзистору теряется преимущество, свойственное соче-танию в регулирующем элементе двух транзисторов Разной структуры (подробнее об этом см. в «Радио», 1975, № 12, с. 51). При экспериментальной проверке рассматриваемых стабилизаторов было зафиксировано, на-пример, увеличение выходного сопротивления в три раза.
Мощные регулирующие транзисторы одного, типа в обоих плечах двуполярного стабилизатора могут быть применены и в том случае, если по схеме составного транзистора включить регулирующий элемент верхнего схеме плеча стабилизатора (рис. 2, в),
оставив в другом стабилизаторе транзисторы разной структуры.
Рис. 2. Схема стабилизатора с питанием от одного выпрямителя
Рис. 3. Схема стабилизатора с питанием ОУ от выходного напря-жения
В рассмотренных стабилизаторах ОУ питаются не-посредственно входным однополярным напряжением, но это возможно толвко в тех случаях, когда входное на-пряжение примерно равно номинальному напряжению питания ОУ. Если первое из названых напряжений пре-вышает второе, то питать ОУ можно, например, от про-стейших параметрических стабилизаторов, ограничиваю-щих входное напряжение на необходимом уровне.1 В том. случае, когда напряжение питания каждого из плеч ста-билизатора оказывается значительно меньше необходи-мого для питания ОУ,. следует перейти к его питанию двуполярным напряжением. В двуполярных стабилиза-торах это реализуется сравнительно просто.
На рис. 3 показана схема стабилизатора, выходное двуполярное напряжение которого равно напряжению питания , что позволило питать их непосредственно с выхода стабилизатора. Транзисторы V
3
и
V8
обеспечи-вают усиление выходного напряжения ОУ до необходи-мого уровня,
V4
защищает эмиттерный транзистора
V3
от обратного напряжения, которое мо-жет появляться на выходе ОУ (при его двуполярном питании), например, при переходных процессах. В том случае, когда наибольшее допустимое обратное напря-жение между эмиттером и базой транзистора превышает напряжение питания ОУ, применение такого диода яв-ляется излишним. Именно поэтому в базовой тран-зистора
V8
диод отсутствует.
Место источников образцового напряже-ния (стабилитронов V
5
и
V9)
по сравнению с рассмо-тренным ранее стабилизатором (см. рис. 2, а) здесь из-менено для , чтобы сохранить отрицательный харак-тер обратной связи при наличии дополнительных усили-телей на транзисторах
V3
и
V8.
была бы отрицательной и в том случае, если каждый из стабили-тронов
V5
и
V9
включить между инвертирующим входом соответствующего ОУ и общим проводом стабилизатора, но в рассматриваемом случае такое включение недопу-стимо, так как при этом будет превышено предельное синфазное напряжение, которое для ОУ К1УТ401Б (но-вое наименование К.140УД1Б) равно ±6 В.
При питании ОУ выходным напряжением следует обращать особое на надежность запуска ста-билизатора. В рассматриваемом случае такой запуск обеспечивается , что сразу после подачи входного напряжения через нагрузочные резисторы R
2
и
R9
про-текают базовые транзисторов
V2
и
V7
соответствен-но. Регулирующие элементы плеч стабилизатора при этом открываются, выходные напряжения увеличивают- , вводя устройство в рабочий режим.
Экспериментальная проверка этого стабилизатора дала следующие результаты: стабилиза-ции при изменении входного напряжения на ±10% превышает 10 000, выходное сопротивление равно 3 МОм.
Все рассмотренные выше двуполярные стабилизато-ры напряжения представляют собой сочетание двух объ-единенных общим проводом однополярных стабилизатор ров, выходные напряжения которых устанавливают не-зависимо одно от другого. При таком построении дву-полярного стабилизатора трудно обеспечить равенство напряжений его плеч как при налаживании стабилиза- , так и в условиях его эксплуатации. В ряде слу-чаев, например в преобразователях « -напряжение», к двуполярному стабилизатору предъявляются ресьма высокие требования в отношении симметричности его выходного напряжения относительно общего провода. Выполнение таких требований сравнительно просто обе-спечивается в стабилизаторе, схема которого показана на рйс. 4.
Рис. 4. стабилизатора с симметричным выходным напряжением
Здесь, верхнее по схеме ничем не отличается от верхнего плеча предыдущего стабилизатора (см. рис. 3). же плечо построено иначе. В инверти-рующий вход ОУ соединен с общим проводом, и, следо-вательно, напряжение на этом входе равно нулю. Так как дифференциальное входное напряжение ОУ незна-чительно ( единицы милливольт), то и напря-жение на неинвертирующем входе будет равно нулю. Но этот вход ОУ подключен к средней точке делителя на-пряжения R
14R15,
включенного между крайними выво-дами стабилизатора; Благодаря этому абсолютная ве-личина напряжения UВЫХ. н на выходе нижнего плеча ста-билизатора будет определяться следующим выражением:
где Uвых. н — напряжение верхнего плеча.
При равенстве сопротивлений резисторов R
14
и
R15
выходное нижнего плеча автоматически устанавливается равным напряжению верхнего, и устрой-ство постоянно «следит» за его значением. Например, если мы с помощью подстроечного резистора
R8
увели-чим напряжение UВых. в, это приведет к увеличению на-пряжения на неинвертирующем входе ОУ
А2
и, следо-вательно, на его выходе. При этом
V8
начнет закрываться, напряжение на регулирующем транзис-торе
V6
уменьшится. Выходное напряжение нижнего плеча увеличится до такого уровня, при котором напря-жение на неинвертирующем входе ОУ
А2
вновь станет равным нулю, т. е. до вновь установленного уровня UВЫX. B.
Таким образом, в рассматриваемом двуполярном стабилизаторе напряжение на выходе обоих плеч -навливается одним подстроечным резистором R
8,
а ра-венство абсолютных величин положительного и отрица-тельного выходных напряжений при
R14 =R15
опреде-ляется лишь классом точности этих резисторов.
По своим качественным показателям стабилизатор не отличается от предыдущего.
Импульсные стабилизатора напряжения обладают высоким к.п.д. и малыми габаритами, поэтому они нашли широкое применение в современных источниках вторичного питания. Принципиальная схема импульсного стабилизатора напряжения последовательного типа на операционном усилителе приведена на рис. 4.19.
Рис. 19. Принципиальная схема импульсного стабилизатора напряжения последовательного типа на операционном усилителе
Схема измерительной цепи аналогична рис. 4. 17, но на операционном усилителе собран не усилитель, а компаратор с петлеобразной релейной характеристикой. Положительная обратная связь, создающая петлеобразную характеристику, осуществляется резистором R6, ширина петли определяется отношением сопротивлений резисторов R5 и R6. Сопротивление резистора R6 много больше сопротивления резистора R5, а ширина петли составляет несколько милливольт. Условно, статическая характеристика компаратора относительно напряжения делителя показана на рис. 4.20.
Рис. 4. 20. Статическая характеристика компаратора
Если напряжение превышает верхний порог U П2
, то напряжение компаратора минимальное, стабилитрон VD2 закрыт, транзисторы VT2 и VT1 закрыты, выходное напряжение с течением времени уменьшается. Если напряжение меньше нижнего порога
U П1
, то напряжение компаратора максимальное, стабилитрон VD2 пробит, транзисторы VT2 и VT1 открыты, выходное напряжение с течением времени увеличивается. Возникают автоколебания напряжения
U
2 относительно значения . Так как петля компаратора очень узкая, то отклонения напряжения
U
2 считаются допустимыми. На рис. 4. 21 приведены временные диаграммы изменения напряжений КСН для двух значений входного напряжения.
Рис. 4. 21. Временные диаграммы напряжений импульсного КСН
Уменьшение напряжения U
1 привело к увеличению длительности импульса в напряжении
U К
(4.увеличению времени открытого состояния транзистора VT1) и уменьшению длительности паузы. Изменился и период следования импульсов. Диапазон изменения напряжения
U
2 превышает зону, ограниченную пороговыми значениями, из-за колебательных процессов в LC-фильтре.
Наличие автоколебаний выходного напряжения является недостатком импульсных стабилизаторов напряжения, но это практически не сказывается на работе потребителей, питаемых от стабилизатора, а преимущества импульсного регулирования существенны. Следует отметить, что, так как транзисторы VT1 и VT2 разной проводимости, то возникает необходимость в запускающей цепи VD4, R9, которая работает, так же как и в схеме последовательного КСН на транзисторах разной проводимости.
Проведем расчет для канала стабилизатора на 36В и 1А, изображенного на рисунке 4.
Рисунок 4- Схема стабилизатора второго канала
Определим требуемый коэффициент стабилизации стабилизатора:
Зададим точку покоя регулировочного транзистора VT1. При токе в нагрузке 1 А и выходном напряжение 51 В среднее значение напряжения перехода коллектор-эмиттер должно составлять 51-36=15 В. Тогда мощность рассеивания на коллекторе транзистора около 15 Вт. Подбираем транзистор, с выходной характеристикой, близкой к изображенной на рисунке 5, строим нагрузочную прямую и отмечаем точку покоя А для среднего входного напряжения.
Согласно графическим расчетам, выбираем регулирующий транзистор VT1 с большим значением максимального тока коллектора (т.к. номинальный ток велик и равен 1А), например MТ7667. Параметры: максимальный ток коллектора I kmax =3 А, максимальное напряжение коллектор-эмиттер U кэmax =50 В, максимальная мощность рассеяния на коллекторе транзистора Р кmax =25 Вт, коэффициент усиления по току h 21э =70..100, граничная частота коэффициента передачи тока f г =30 MГц .
Рисунок 5- Выходная характеристика регулировочного транзистора
Соответственно на входной характеристике
Рисунок 6- Входная характеристика регулировочного транзистора
Ток базы покоя регулировочного транзистора при среднем коэффициенте усиления по току:
Выбранный ток базы, согласно рисунку 5, 6 составляет
U выхОУ = U бэ + U нmax
Uбэ = 1,51 В;
U нmax =36·0.01+36=36.36 В
U выхОУ = 1,51+36.36=37,9 В
I выхОУ = I бmax VT1 = ;
Выбираем операционный усилитель PM155C, c параметрами: напряжение источника питания U ИП =40..50 В, коэффициент усиления 450, входное сопротивление R вх =25 МОм, потребляемая мощность 200мВт, входной ток I вх =80 нА, значения выходных напряжения и тока ОУ: U выхmaxОУ =50 В, I выхmaxОУ =40 мА.
Опорное напряжение формируем с помощью стабилитрона 2N3623, для которого: номинальное напряжение стабилизации 5 В, ток стабилизации 20 мА.
U оп = U ст
определим сопротивление балластного резистора R1. Из условия I ст ном >> I вхОУ
R1 = = =2300 Ом.
Принимаем стандартное значение 2.3 кОм.
Определим сопротивление резистора R4 из выражения:
U вх =I бVT1 R4+U бэ,
Принимаем стандартное значение 2.7кОм.
Обеспечить требуемые выходные параметры ОУ можно введением обратной связи. Рассчитаем цепь обратной связи: R2-R3, при коэффициенте усиления 10- при меньших значениях будет малая чувствительность, при больших — ОУ быстро будет переходить в насыщение.
Выражая Я, получим:
Так же. Чтобы резисторы не оказывали большого влияния на работу схемы, т.е. ток делителя составлял несколько миллиампер, возьмем значение R3=51кОм, тогда R2==525кОм (Ближайшее стандартное 510кOм).
Рассчитаем сопротивления делителя R5-R6. Задаваясь током делителя 1 мА, и формируя напряжение обратной связи близкой к 5В, но менее его (для получения положительного сигнала на выходе ОУ), получаем:
R5=(36-5)/0.001=31 кОм;
R6=5/0.001=5 кОм.
Принимаем стандартные значения R5=33кОм R6=5.1 кОм
Проверим правильность выбора сопротивлений:
Напряжение обратной связи, снимаемого с R6 менее опорного (5В), значит, выбор резисторов был проведен правильно.
Рассчитаем элементы схемы защиты от короткого замыкания. Транзистор VT2 при токе нагрузки в пределах 1 А находится в режиме отсечки. При достижение тока нагрузки выше 1 А, VT2 начинает открываться и закорачивает базу VT1, призакрывая его, что вызывает ограничение тока нагрузки. Напряжение, приложенное к переходу коллектор- эммитер VT2 в открытом состоянии за вычетом падения напряжения на R4 (36- 1,51=34.49 В) и напряжения на диоде в прямом направление составит примерно 34 В. Максимальный коллекторный ток в открытом состояние I к нас около 36 мА (рисунок 5).
Возьмем в качестве датчика тока резистор R7 сопротивлением 1 Ом. Тогда при номинальном токе в нагрузке не более 1 А, падение напряжения на нем не превысит 1В.
Выберем в качестве VT2 транзистор 2N2411, с параметрами: максимальный ток коллектора I kmax =160мА, коэффициент усиления по току h 21э =100, максимальное напряжение коллектор-эмиттер U кэmax =100 В, максимальная мощность рассеяния на коллекторе транзистора Р кmax =160 мВт. Диод VD4 — DN380: U ОБР max =100 В, I max vd =1 A
Согласно выбранному режиму работы (рисунок 7) можно найти по выходной характеристики (рисунок коллекторный ток VT2.
Рисунок 7- Входная характеристика транзистора VT2
Рисунок 8- Выходная характеристика транзистора VT2
Для режима отсечки U бэ 1,2В. Соответственное изменение тока базы обеспечивает резистор R8.
R8= U бэ / I б = 1/1·10 -3 =1 кОм
Конденсатор С1 предотвращает ложное срабатывание схемы защиты при включение ИБП и его емкость подбирается соответственно для пропускания импульсов малой длительности. Примем значение С1=3.3 нФ.
Рассчитаем номиналы элементов схемы защиты от перенапряжения. Выбираем стабилитрон 2С514А: напряжение стабилизации 40В, минимальное напряжение стабилизации 38В, ток стабилизации 15мА; минимальный ток стабилизации 10мА ; транзисторную оптопару АОТ120ЕС: входной ток 3мА, напряжение изоляции 500В, максимальное входное напряжение 1.6В.
В случае достижения напряжения на нагрузке превышающего 38В, равное сумме напряжения стабилизации стабилитрона и прямого падения напряжения на оптроне (от 0.1 до 0.5В), происходит открытие VD5 и начинает протекать ток (минимальный ток стабилизации). Для обеспечения входного напряжения открытия оптопары в 1.6В, необходимо чтобы сопротивление R9 было не более 1.6/0.005=320Ом. Примем стандартное значение R9=300Ом.
Рисунок 9 — Схема моделирования
Рисунок 10 — Выходной сигнал схемы моделирования
